Cohérence quantique électronique : courants permanents et effet Kondo
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Cohérence quantique électronique : courants permanents et effet Kondo. Laurent Saminadayar. Centre de Recherche sur les Très Basses Températures, Grenoble Université Joseph Fourier, Grenoble. Collaborateurs. Christopher Bäuerle. Stéphane Bonifacie François Mallet Arnaud Pouydebasque

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Presentation Transcript


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Cohérence quantique électronique : courants permanents et effet Kondo

Laurent Saminadayar

Centre de Recherche sur les Très Basses Températures, Grenoble

Université Joseph Fourier, Grenoble


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Collaborateurs

Christopher Bäuerle

Stéphane Bonifacie

François Mallet

Arnaud Pouydebasque

Wilfried Rabaud

Félicien Schopfer

Dominique Mailly

Alain Benoît

Andreas Wieck

Bénédicte Caillarec, Séverine Moraillon, Joël Navarro

Centre de Recherches sur les Très Basses Températures

Laboratoire de Photonique et Nanostructures

Université de Bochum

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Courants Permanents 1D

Courant total porté par l’anneau :

I non dissipatif

(x+L) = (x) exp(2ip/0)

Périodicité du spectre d’énergie

Non supra

London (1937)

Büttiker et al. (Phys. Lett. ’83)

I0 ~ 5 nA

Sensible au nombre d’électrons et au désordre

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Expériences sur plusieurs anneaux

  • Lévy et al. (PRL ’90)

107 Cu rings

  • Reulet et al. (PRL ’95)

  • Noat et al. (PRL ’98)

1052DEG rings

  • Deblock et al. (PRL ’02)

105Ag rings

  • Jariwala et al. (PRL ’01)

30 Au rings

Mesure du courant moyen : périodeF0/2

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Expériences sur un anneau unique

  • Chandrasekhar et al. (PRL ’91)

1 Au - ring

  • Mailly et al. (PRL ’93)

1 DEG - ring

Mesure du courant typique : périodeF0

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Anneaux Connectés

Taille du réseau >> lF

rIisolé = Iconnecté

r = 0.6

Taille du réseau >> lF

P(r,r)

Courants Permanents

Résolution de l’équation de diffusion du réseau

Choc inélastique ne participe pas au courant permanent

< lF

Courant permanent

Seules

Pascaud et Montambaux (PRL ’99)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Géométrie de l’échantillon

G2

G3

G1

L2M

4 µm

2 µm

R

R

1 µm

Taille totale > 12 l

G1 : référence = pas de courants permanents

ns = 5,2.1011 cm-2

µ = 106 cm2V-1s-1

lF = 35 nm,

vF = 3,15.105 ms-1

le = 8 µm,

l ≈ 20 µm

G2 : système isolé des réservoirs

G3 : anneaux isolés les uns des autres

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Le détecteur

ICP

- 

+



ICP

Ic

I

  • SQUID DC :

0s = h/2e

M = IS ≈ 103mB

pont entre les 2 étages

  • Gradiomètre :

tot = c

  • Étalonnage :

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

G2

G1

G3

1 - croix d’alignement

2 - gravure des anneaux

2bis - contacts W

mponts

3 - grilles et boucle d’étalonnage

4 - 1er étage mSQUID

5 - 2nd étage mSQUID

5bis - mponts de Dayem

6 - raccordement mSQUID

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Les échantillons

Contacts Ω

G2

G1

G1

G2

G3

G3

µponts :

300  30  20 nm3

Boucle d’étalonnage

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Acquisition des mesures

S1 = (M1 - R2) + (M2 - R3)

+

B1 = (M1 - M2) + (R2 - R1)

Signal

+

  • Calcul du signal et du bruit au même instant

  • Même bruit 1/f

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Spectre typique

16 anneaux

Signal périodique << bruit apériodique

Transformée de Fourier

des fichiers S et B

FFT

Paramètres géométriques

  • Fluctuations lentes de T

  • Dérive de l’électronique de SQUID

1/f

Signature des courants permanents

Statistique sur ≈ 1000 spectres

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Rapport entre anneaux isolés et connectés

0,35 nA ± 0.07

2 nA ± 0.3

1,09 nA

2,18 nA

0,4 nA ± 0.08

1,7 nA ± 0.3

0,62 nA

1,25 nA

r ~ 1,2 ± 0,34

r ~ 0,9 ± 0,2

  • Effets balistiques ?

  • Interactions électron-électron ?

  • Moyenne d’ensemble ?

Magnétisme orbital des métaux ?

W. Rabaud et al., Phys. Rev. Lett. (2001)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Saturation du temps de cohérence de phase

101

100

10-1

10-2

10-3

10-4

2D-Au

1D-Au

1D-Si

1D-Si

tf (nS)

1D-GaAs

2D-AuPd

1D-nGaAs

2D-AuPd

10-2 10-1 100 101 102

T(K)

Akimoto et al., (PRL ’03)

Mohanty et Webb (PRL ’97)

Schopfer et al. (2004)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Rôle des impuretés magnétiques

annealing

(1ppm)

Benoît et al. (1988 )

Oscillations Aharonov-Bohm

Pannetier et al. (Phys. Scripta ’86)

Localisation faible

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Magnétorésistance

(AAK)

T-2/3

tf(ns)

T (mK)

DR/R *10-4

Mohanty et Webb (PRL ’97)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Temps de cohérence et effet Kondo

Saturation à basse température

Maximum de résistivité

Nouveau régime

tf(ns)

r(nWcm)

tf(ns)

T (mK)

TK

Les variations detf(T) et de (T) sont correlées

T (mK)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Transition vitreuse

Au/Fe

Cu/Mn

Résistivité

Laborde (1971)

Le maximum de résistivité signe une transition vitreuse

Susceptibilité

Frossati et al. (Physica B ’76)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Extraction du temps de diffusion de spin

1/tf(ns-1)

1/tnon-magnétique

Théorie standard (AAK)

1/tspin-scattering

T (mK)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Temps de diffusion de spin et transition vitreuse

TK

Limite unitaire

15 ppm

1/ts (ns-1)

r (nWcm)

Haesendonck et al. (PRL ’87)

T (mK)

Temps de diffusion de spin constant

Apparition des interactions RKKY

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Limite basse température ?

Film 2D

60 ppm

1/tspin(ns-1)

T 1/2

15 ppm

T 2

Peters et al. (PRL ’88)

Transport à basse température dominé par les interactions RKKY

T (mK)

  • Limite unitaire ?

  • Transport dans un verre ?

  • Cohérence à température nulle ?

T 1/2

T 2

F. Schopferet al., Phys. Rev. Lett. (2003)

Bergmann et al. (PRB ’89)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Projets

  • Déphasage, boîtes quantiques et effet Kondo

Collaborations : G. Eska, D. Feinberg, M. Lavagna, D. Mailly, P. Simon, A. Wieck

  • Interférences quantiques

Collaborations : B. Douçot, D. Mailly, G. Montambaux, C. Texier, J. Vidal

  • Contrats

ACI, STREP, IPMC, Procope

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Déphasage et effet Kondo

  • Dopage par implantation :

  • Variation de la concentration

  • Différentes impuretés

  • Variation de l’écrantage

  • Validité de Nagaoka-Suhl ?

  • Description de la désaturation ?

  • Transition vitreuse ?

Projet européen « Ultra 1D »

D. Mailly, A. Wieck

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Interférences quantiques

Localisation faible

Oscillations AAS

h/2epériodiques

h/e

R (4.2K)= 24 W

h/2e

20

FFT amplitude (10-5W/G-1/2)

R - Renveloppe .10-5W

0

-20

-40

B (G)

-60

B (G-1)

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

Vidal et al. (PRB ’00)

Naud et al. (PRL ’01)

F. Schopferet al., condmat/0407200 (2004)

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


Coh rence quantique lectronique courants permanents et effet kondo

Conclusion

Magnétisme orbital de conducteurs macroscopiques

r (nWcm)

1/ts (ns-1)

Décohérence, effet Kondo et verres de spins

T (mK)

S. Bonifacie, B. Caillarec, F. Mallet, S. Moraillon, J. Navarro, W. Rabaud, F. Schopfer

B. Douçot, G. Eska, D. Feinberg, M. Lavagna, D. Mailly, P. Simon, C. Texier, J. Vidal, A. Wieck

C. Bäuerle, A. Benoît, K. Hasselbach

Cages d’Aharonov-Bohm ?

Mesure du temps de cohérence ?

Effet de taille finie ?

Limite unitaire ?

Transport dans un verre ?

Cohérence à température nulle ?

Laurent Saminadayar - Habilitation - 14 septembre 2004


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